DE69102914T2 - Winkelmesseinrichtung und Verwendung derselben. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Winkelbe-Stimmung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Optimierung der Angabe des Auftriebs-/Widerstandsverhältnisses einer Maschine, die sich in einem Fluidum in Bewegung befindet und ganz besonders für ein Luftfahrzeug im Flug, sowie zur Messung der Umströmungsbedingungen der Luft um eine Maschine im Windkanal.
• Vorrichtungen zur Messung des Angriffswinkels sind bekannt und werden bei Flugzeugen verwendet. Diese sind vorzugsweise an der äußeren Spitze des Flugzeuges angebracht, um nicht durch Störungen des Eindringens der Maschine in das Fluidum beeinflußt zu werden oder häufiger an der Außenseite des Flugzeugs, um die aufgenommenen Daten an einen Empfänger im inneren des Flugzeugs weiterzuleiten. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise in dem Patent US 4.320.290 beschrieben.
• Die genaue Kenntnis des Angriffswinkels ermöglicht eine bessere Steuerung des Auftriebs des Flugzeuges, insbesondere um gefährliche Verschiebungen zu vermeiden. Diese Vorrichtungen erlauben es aber nicht, auch wenn sie es ermöglichen den Angriffswinkel mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, das grundsätzliche Problem der Optimierung der Bedingungen der Versetzung einer Maschine im Fluidum und im genaueren eines Luftfahrzeugs in der Luft zu lösen, welches darin besteht, daß man den Winkel zwischen der effektiven Versetzung der Maschine im Verhältnis zur Masse des Fluidums, der im weiteren gemäß üblicher Anwendung Geschwindigkeitsvektor genannt wird, und der Resultante des Auftriebs, des Luftwiderstands und im Falle einer angetriebenen Maschine des Schubs, mit einer größtmöglichen Genauigkeit erfaßt und steuert. Die Richtung der Resultante dieser Kräfte, die auf die Maschine ausgeübt werden, sind mit der Ausnahme der Erdanziehungskraft, diejenige die ein gedachtes Pendel ausüben würde, welches an die Decke der Kabine auf gehängt wird. Diese wird im folgenden und in den Ansprüchen die scheinbare Richtung der Schwerkraft genannt. Ein an Bord befindlicher Beobachter in der Kabine könnte den Winkel messen, den dieses Lot mit einer Achse der Maschine einschließt. Es ist für diesen aber schwierig den Winkel zu messen, der originär für die Optimierung ist. Dieses ist der Winkel zwischen diesem Lot und dem Geschwindigkeitsvektor, der im Falle eines Flugzeuges die scheinbare Richtung des Windes ist.
• Das zu lösende Problem ist es, eine Vorrichtung zu entwikkeln, die direkt und mit großer Genauigkeit diesen Winkel zwischen der scheinbaren Richtung der Schwerkraft und dem Geschwindigkeitsvektor der Maschine im Verhältnis zum Fluidum mißt.
• Im Windkanal beinhaltet die Erprobungsphase der Form eines Fluggerätes die Anbringung einer größtmöglichen Anzahl von Luftaustrittsstellen. Dieses hat die vorrangige Aufgabe, die scheinbare Windrichtung unter Berücksichtigung der erzeugten Störungen auf die Umgebung aufgrund der Form des Luftfahrzeuges, zu ermitteln. Auch hier ist der Winkel zwischen dieser Richtung und der Vertikalen am Meßpunkt von originärer Bedeutung.
• Die Erfindung liefert damit eine Vorrichtung, die es ermöglicht diese Winkel mit Hilfe der Mittel zu messen, die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben sind.
• in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung benutzt man mindestens einen Inklinometer, der aus einem Niveaugerät mit Gas- oder Luftblase besteht. Diese Ausführung einer herkömmlich verfügbaren Wasserwaage hat den Vorteil, mit sehr geringen Abmessungen auszukommen, dabei aber gleichzeitig die notwendige Genauigkeit aufzuweisen. Da diese Genauigkeit in der Regel reziprok abhängig ist von der Teilung der Maßeinheit des Verwendeten Inklinometers, kann es wünschenswert sein, mehr als einen Inklinometer zu verwenden, um die Messung starker und schwacher Winkeländerungen vornehmen zu können. Nach einer Eichung erlaubt die Erfindung für letztere eine Messung bis zu einer halben Sekunde im Bogenmaß, d.h. dem siebentausendzweihundertstel eines Grades. Diese Genauigkeit wird erreicht mittels einer elektrolytischen Flüssigkeit in der Wasserwaage, die es ermöglicht geringste Bewegungen der enthaltenen Blase durch geringe Veränderungen des Widerstands des Elektrolytes wahrzunehmen.
• In einer anderen Ausführung der Erfindung werden als Inklinometer einer oder mehrere Geschwindigkeitsmesser verwendet. Diese erlauben es in ihrer Zusammensetzung, die Richtung der Resultante der Beschleunigung aufzunehmen, denen das Meßwerkzeug ausgesetzt ist.
• In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die Vorrichtung in einer aerodynamischen Form hergestellt. Diese erlaubt es, sofort und unter allen Umständen die Stellung einzunehmen, die einerseits das Restultantenmoment um die Rotationsachse aufhebt und andererseits der Vorrichtung eine aerodynamische Stabilität verleiht. Dieses wird z.B. durch Anbringen von Stabilisierungsflossen erreicht, so daß der Schwerpunkt unter Beanspruchung in der Rotationsachse liegt.
• In einer anderen Ausführung der Erfindung wird der Träger des Gerätes auf ein Fahrzeug montiert, das sich in einem Fluidum bewegt. Diese Befestigungsstelle soll so gelegen sein, daß geringe Einwirkungen durch die Bewegung der Masse der Flüssigkeit auf die Außenhaut des Fahrzeuges einwirken oder es sich um eine Stelle handelt, an der diese Störungen bekannt sind. Dieser Ort kann vorzugsweise an der äußeren Spitze des Fahrzeuges gelegen sein. Dieses kann im Falle eines Luftfahrzeugs auch in der Nähe der Befestigungsstelle eines Flügels oder an dessen Tragflächenende sein.
• In einer anderen Ausführung der Erfindung ist die Halterung des Gerätes auf einer Vorrichtung montiert, die es erlaubt, daß diese weitgehend auf den Geschwindigkeitsvektor ausgerichtet wird. Auf diese Weise erhält man die besten Arbeitsbedingungen für die Vorrichtung, die erzielt werden, wenn der Winkel zwischen der Halterung und dem Geschwindigkeitsvektor gering ist. Auf diese weise werden am besten die Störeinflüsse vermieden, die durch die Halterung auf die Umgebungsflüssigkeit der Vorrichtung ausgeübt werden. Desweiteren muß die Vorrichtung frei drehbar um die Rotationsachse sein, wobei nur eine minimale Reibung ausgeübt wird. Dieses ist dann der Fall, wenn die Richtung der Halterung sowohl orthogonal zur Richtung des Fluidums ist, als auch zur scheinbaren Richtung der Schwerkraft. Dieses kann im Falle eines Luftfahrzeugs z.B. durch ein Steuergerät realisiert werden, welches die Halterung im Falle einer Drehung bzw. in allen Situationen, in denen die Halterung nicht mehr in der Richtung der scheinbaren Windrichtung gerichtet ist, parallel zur scheinbaren Windrichtung ausgerichtet. Dieses soll geschehen unter bestmöglicher Reaktionszeit, da eine verkürzte Reaktionszeit die Zeit reduziert, in der die Messung ungenau ist.
• Andere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung haben zum Ziel, die Reibung zwischen dem Meßwekzeug und der Haltung zu reduzieren. Hierbei ist die Rotationsachse der Vorrichtung ausgestaltet in Form mindestens eines Kugellagers, eines Lagers ohne Kontakt, wie z.B. Flüssigkeitslagerung, oder eines magnetischen Steuergeräts. Solche Maßnahmen können notwendig sein, um die Reibung der Achse auf ein Minimum zu reduzieren und somit die höchstmögliche Meßgenauigkeit zu erreichen.
• Die Vorrichtung benötigt eine Energieversorgung, um zu arbeiten. Diese ist vorzugsweise elektrisch. Die Stromversorgung kann in die Vorrichtung mit eingebaut sein, wie z.B. in Form einer Batterie von geeigneten Ausmaßen oder Solarzellen, die auf den Tragflächen angebracht sind. Die Energieversorgung kann auch an Bord des Fahrzeuges angebracht sein. Der Strom wird dann mittels verschiedener, vorwiegend elektromagnetischer Mittel auf die Vorrichtung übertragen. Dieses kann z.B. eine Lichtquelle sein, die durch optische Fasern übertragen wird, ein Laserstrahl oder auch ein Transformator, dessen primäre Spule von Mitteln versorgt wird, die auf der Maschine angebracht sind und deren sekundäre Spule auf von der Vorrichtung getragen wird. Es können auch herkömmliche Mittel zur Stromversorgung verwendet werden. Dabei muß die Leitung so geschmeidig sein, daß die freie Rotation des Meßwerkzeugs um seine Achse nicht behindert wird.
• Die Mittel zur Übertragung der von der Vorrichtung gemessenen Werte können dieselbe Stromversorgung verwenden wie die zuvor Beschriebenen. In dem Fall, in dem die aufgenommene Informationen an die Maschine weitergeleitet wird, können sie dieselben Mittel zur Übertragung verwenden wie diese Stromversorgung.
• Die Verwendung der Vorrichtung erfolgt vorzugsweise an einem Luftfahrzeug. Dieses kann mit oder ohne Motor sein. Das Fluidum ist dabei Luft. Es versteht sich, daß die Abmessungen und die Technologie des zur Konstruktion verwendeten Werkstoffs an die Bedingungen des Flugzeuges angepaßt sind. Für ein Segelflugzeug wird man Holz oder Kunststoff verwenden. Bei einem Linienflugzeug oder einer Raketenflugzeug ohne Pilot, wird ein metallischer Werkstoff vorzuziehen sein. Dieses hat keinen Einfluß auf die Funktionsweise der Erfindung.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung, vorzugsweise bei Verwendung im Windkanal, ist das Fahrzeug an einem Festen Ort angebracht und das Fluidum umfließt das Fahrzeug unter konstanten Bedingungen, die man untersuchen will. Bei dieser Anwendung muß der Träger nicht notwendigerweise an dem Fahrzeug angebracht sein, sondern kann nach belieben im Windkanal versetzt werden, um an jeder Stelle den Winkel zwischen der Richtung des Fluidums und der Senkrechten zu messen, die an der Stelle, an dem die Vorrichtung angebracht ist, mit der scheinbaren Richtung der Schwerkraft übereinstimmt.
• Eine weitere Anwendung der Vorrichtung betrifft einen Rennwagen, der ebenfalls den Kräften der Beschleunigung, des Auftriebs und des Luftwiderstands ausgesetzt ist. Die Vorrichtung kann dabei helfen, die Form und den Ort der Montage von Luftabweisern oder Spoilern zu optimieren. Dieses kann auf einer Teststrecke oder im Windkanal geschehen.
• Eine andere Anwendung der Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, daß ein weiterer Inklinomter in der Maschine innerhalb dessen Hülle angebracht ist. Dieser ist somit nicht den dynamischen Einflüssen des Fluidums ausgesetzt und erlaubt damit, unabhängig von der Beschleunigung der Maschine, den Winkel zwischen der Vorrichtung und der Maschine über die Differenz des Winkels zu messen. Dieses kann z.B. zur Bestimmung des Angriffswinkels der Maschine in das Fluidum geschehen. Durch Anbringen eines ähnlichen Meßfühlers in der Maschine, der in analoger Weise und mit ähnlicher Genauigkeit den Winkel zwischen der Rotationsachse der Maschine und der Resultierenden der Kräfte des Auftriebs, des Widerstands und gegebenenfalls des Schubs mißt, der von der Maschine ausgeübt wird, erlaubt es die Erfindung, durch Bildung einer Differenz, den Angriffswinkel mit einer sehr hohen Genauigkeit zu bestimmen.
• Eine weitere Anwendung der Vorrichtung betrifft ein Fahrzeug unter Wasser. Hierbei ist das Fluidum eine Flüssigkeit oder genauer genommen Wasser.
• In weiteren Anwendungen der Vorrichtung empfängt ein Prozessor, der an Bord oder außerhalb des Fahrzeuges angebracht ist die Informationen, die von dem Übertragungsmittel weitergeleitet werden und wandelt diese in ein Signal um, welches für die Optimierung der Verlagerung leicht zu interprätieren ist, d.h. dem Verhältnis zwischen den Kräften des Auftriebs, des Widerstands und eventuell des Schubs. Wenn diese Optimierungsaufgabe von einem Menschen ausgeführt wird, der die Maschine bedient, wie z.B. einem Pilot, kann dieses Signal durch visuelle Hilfsmittel angezeigt werden oder auch durch akustische, die es dem Piloten erlauben, ebenfalls Einfluß auf andere Arbeiten zu nehmen, die einen visuellen Kontakt benötigen.
• Weitere Vorrichtungen sind vorgesehen, um gute Arbeitsbedingungen des Inklinometers sicherzustellen. Wenn die Maschine in großen Höhen fliegt, extremen Temperaturen ausgesetzt ist oder sich in großen Tiefen unter hohem Druck befindet, kann die Energieversogung gleichzeitig dazu verwendet werden, die für das Funktionieren notwendig Temperatur und den normalen Druck aufrechtzuerhalten.
• Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführung der Erfindung deutlich. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte Zeichnung, in welcher
• Fig. 1 die Abbildung eines Luftfahrzeuges, seiner Achsen und die im Rahmen der Aerodynamik wirkenden Kräfte darstellt,
• Fig. 2 die Vorrichtung und die Halterung darstellt,
• Fig. 3 einen elektrischen Schaltkreis auf zeigt, welche den Inklinomter speist und von diesem die Werte abnimmt.
• Fig. 1 stellt ein Luftfahrzeug 1 dar, welches mit einem Halter 3 versehen ist, der die Vorrichtung hält. Der Halter 3 ist in etwa parallel mit der Rotationsachse X des Luftfahrzeugs. Dieser ist an der Spitze angebracht worden und damit an einem Ort, an dem es vor Einflüssen geschützt ist, die sich in der Masse der Luft durch die Bewegung des Flugzeugs ergeben. Das Bild zeigt weiterhin den Geschwindigkeitsvektor V und die Resultante des Auftriebs L, des Luftwiderstand D und des Schubs T, zwischen denen der Winkel β mit hoher Genauigkeit abgelesen wird.
• Fig. 2 zeigt im Detail die Ausführung der Vorrichtung 2. Diese ist beweglich an einer Achse 7 befestigt. Diese Achse verläuft parallel zur Neigungsachse Y des Luftfahrzeugs 1. Die Achse 7 ist in Form eines Lagers 4 realisiert, um eine geringe Reibung aufzuweisen. Dieses ist am Ende des Halters 3 angebracht. Die Vorrichtung 2 hat eine Form, die es dieser ermöglicht, sich in Richtung des Geschwindigkeitsvektors der Maschine auszurichten. Dieser Effekt wird erreicht durch die Flügel 5. Der Schwerpunkt der Vorrichtung ist konstruktiv so angeordnet, daß dieser im Mittelpunkt des Lagers 4 gelegen ist. Ein Inklinometer 6, wie z.B. eine handelüberliches Gerät, das unter dem Namen "Subminiature Inclinometer von Spectron Glass and Electronics Inc. (Uniondale, N.Y. 11553, U.S.A.) vertrieben wird, ist in die Vorrichtung eingebaut. Dieser mit in einer von der Rotationsachse X und der Achse der seitlichen Versetzung Z aufgespannten Ebene, den Winkel β. Dieser besteht zwischen der Projektion des Geschwindigkeitsvektors auf diese Ebene und der Projektion der geometrischen Resultanten der Kräfte die auf das Flugzeug wirken, mit Ausnahme der Erdanziehungskraft. Diese Kräfte enthalten den Auftrieb und den Widerstand bei einem Segelflugzeug und zudem dem Schub bei einem angetriebenen Luftfahrzeug. Da die Flugbedingungen Abhängig von diesem Winkel sind, kann man zu jedem Zeitpunkt die Flugbedingungen verbessern. Insbesondere kann im Falle eines angetriebenen Luftfahrzeugs der Treibstoffverbrauch reduziert werden durch Beeinflussung diverser Parameter in bekannter Art und Weise, wie z.B. der Stellung der Klappen, Seitenruder und dem Schwerpunkt des Flugzeugs unter Berücksichtigung des Treibstoffes in dem vorderen oder hinteren Tank. Die Mittel, die zur Übertragung der für die Optimierung notwendigen Informationen an z.B. einen Prozessor verwendet werden (nicht dargestellt), sind im inneren der Vorrichtung 2 gelegen und werden versorgt durch eine Anordnung von Solarkollektoren 8, die in die Tragflächen eingelassen sind. Die Position der Blase des Inklinometers 6 wird unter Verwendung dieses Stroms in elektrische Spannung verwandelt und an die Maschine übertragen. Diese Übertragung erfolgt beispielsweise mittels des Lagers 4 und der Halterung 3. In der Abbildung 3 ist die elektronische Umwandlung der vom Inklinometer aufgenommenen Informationen in der bevorzugten Ausführung der Erfindung dargestellt. Der Winkel β wird gemessen und in ein Signal elektrischer Schwingungen 12 verwandelt. Die Anzahl der Schwingungen wird gezählt und übersetzt durch einen Prozessor. Die Frequenz der Schwingungen entspricht dem Winkel.
• Die Versorgung von 3 Volt wird erreicht mittels der leitenden Rollenlagers 21. Diese stellt die Achse dar, die die Maschine und den Halter, im linken Teil der Abbildung 3 dargestellt, von dem Meßwerkzeug trennt, dessen Elektronik im rechten Teil der Abbildung 3 dargestellt ist. Ein eingebauter geregelter Schaltkreis liefert eine stabile Spannung von 3 Volt. Der Stromverbrauch der Vorrichtung ist nahezu konstant, womit es möglich ist, die Modulation des Stroms zu verwenden, um den von dem Meßfühler gemessenen Winkel zu übertragen. Diese Meßfühler, bestehend aus dem Inklinometer 17 wird angeregt mit 10 kHz und einem Spannungszyklus von 50%. Die Anregung wird erreicht durch eine wechselnde Umschaltung der Steuerelektroden des Meßwerkzeugs 17 zwischen 0 und 3 Volt. Der Spannungszyklus von 50% wird sichergestellt durch eine Komponente 16, welche durch einen multivibrator Schaltkreis vom Typ CMOS 4047 realisiert ist. Die aufgenommene Information wird abgelesen von der Mittenelektrode des Meßfühlers 17. In Abhängigkeit von dem gegebenen Winkel, bleibt die Differenz der Spannung zwischen den Steuerelektroden, welche einer kontinuierlichen Umkehrung der Polarität ausgesetzt sind, im Verhältnis konstant. Ein Wertaufnahme- und Aufrechterhaltungsschaltkreis wird verwendet, um die abgelesene Spannung während der ersten Hälfte des Zyklusses an das Bauteil 19 zu liefern, welches einen Spannungsoszillator darstellt. Dieser wird durch einen CMOS 4046 realisiert. Der Spannungsoszillator 19 wird gesteuert, um eine Frequenz der Größenordnung von 1 kHz zu liefern. Jede Änderung der Polarität am Ausgang erzeugt einen Impuls des Stroms in dem Widerstands-Kapazitäts-Element 10. Diese erzeugt eine Oszillation der Spannung, die Meßbar ist über einen Widerstand zwischen der Stromversorgung 11 von 5 Volt und dem Ausgang des Oszillators 12.
• Dieser Ausgang ist verbunden mit einem Prozessor, der die Optimierung vornimmt.

Claims (10)

1. Gerät zur Bestiiimung des Winkels zwischen der Scheinlotlinie (L+D+T) und dem Geschwindigkeitsvektor von dem Gerät relativ zur umgebenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät

- auf einen Halter (3) befestigt ist, weicher mit einer Rotationsachse (7) versehen ist,

dass diese Rotationsachse durch das Nassenzentrum von dem Gerät geht,

dass diese Rotationsachse immer orthogonal bezüglich einen Plan, der vom Umgebungsflüssigkeitsrelativgeschwindigkeitsvektor und von der Scheinlotlinie definiert ist,

dass das Gerät weiter

- sich frei um die Rotationsachse drehen kann und nur eine Position um diese Rotationsachse hat, wo das Gerät aerodynamisch stabil ist, das heisst, wo der Resultantmoment von den aerodynamischen Kräften Null ist,

- ein Messystem hat, das mindestens ein Inklinometer (6) einschliesst, um diesen Winkel zu messen, und Mittel zur Ueberführung von Inklinometerdaten.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inklinometer (6) Flüssigkeitsmeter sind.

3. Gerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine aerodynamische Form hat und mit Stabilisierungsflächen ausgerüstet ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (3) auf ein Flugzeug montiert ist, auf eine Stelle wo Störungen klein oder bekannt sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (3) einen regulierbaren Befestigungsmechanismus hat, um besser die Orthogonalität von der Rotationsachse (7) beizubehalten, und deshalb vorübergehende Störungen reduziert.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (7) ein niedriger Rotationswiderstand hat.

7. Anwendung von dem Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Winkel der Winkel zwischen a) der Resultante von Auftriebskräften, Widerstandskräften und eventuell Triebkräften auf ein Flugzeug, auf welchem der Halter montiert ist, und b) dem Relativgeschwindigkeitsvektor des Halters in die Umgebungsflüssigkeit ist.

8. Anwendung von dem Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Gas, das durch einen Windkanal gebläst wird ist, dass der Halter (3) stationär ist und deshalb erlaubt, die Gasstromrichtung an einer gegebener Stelle im Kanal zu messen.

9. Anwendung von dem Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Inklinometer auf das Flugzeug montiert ist, so dass durch Subtraktion der Winkel zwischen dem Gerät und dem Flugzeug berechnet werden kann, unabhängig von der aktuellen Beschleunigung.

10. Anwendung von dem Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessor die von den Mitteln überführte Daten empfängt via ein Datenübertragungskanal, und davon ein einfach zu verstehen Signal bearbeitet, zum Beispiel zur Optimierung von dem Auftrieb/Widerstandsverhältnis der Flugzeug.